淺談橡膠支座隔震技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

楊 樺, 羅 英, 李云飛

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

地震是由于地殼運(yùn)動(dòng)，以波的形式傳遞到地面，是地面上原本靜止的建筑物受地震波的作用而產(chǎn)生振動(dòng)，而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生內(nèi)力、變形和位移，結(jié)構(gòu)因此會(huì)遭受破壞。地震作為一種突發(fā)性的自然現(xiàn)象，雖然說是不可避免，但隨著社會(huì)的進(jìn)步以及科技的發(fā)展，建筑抗震方案也越來越成熟，使得我們可以有效的降低地震帶來的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證人民生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。

為了提高建筑物抗震性能，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為增加上部結(jié)構(gòu)含鋼量和結(jié)構(gòu)尺寸，通過增大整體的剛性從而抵抗地震作用的破壞，而針對(duì)9度抗震設(shè)防地區(qū)而言，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案明顯不是一個(gè)明智的選擇，隨著近年來柔性隔震技術(shù)理論的提出及應(yīng)用，在滿足了的結(jié)構(gòu)的使用性和安全性要求的同時(shí)，也為9度抗震設(shè)防地區(qū)這類特殊地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 橡膠隔震技術(shù)原理

橡膠支座隔震技術(shù)是通過在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)一層隔震轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層設(shè)置安裝橡膠支座作為隔震耗能元件，將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分開，建筑物在設(shè)置安裝隔震元件后，可以增加建筑物的變形能力和滯變阻尼；變形能力的增加可以使結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時(shí)吸收更多發(fā)的能量，從而使得建筑物能更好的在地震作用下維持不倒塌；而滯變阻尼的增大可以使結(jié)構(gòu)在地震作用中耗散更多的能量，與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)變形能力的增大(剛度變小)，會(huì)導(dǎo)致振型的頻率變小，周期變大，這與增大的阻尼一起結(jié)合，可以使地震影響系數(shù)變小，減少地震下的作用。除此之外，由于建筑物結(jié)構(gòu)有了足夠的變形能力和足夠大的滯變阻尼，使得建筑物底部產(chǎn)生較為均勻的應(yīng)力分布，這很好的利用了結(jié)構(gòu)的材料性能，同時(shí)還避免一些常見的基礎(chǔ)底部破壞發(fā)生的可能性(圖1、圖2)。

圖1 隔震支座

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的比較

2 隔震結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍

隔震對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)型式和材料沒有特別的要求，無論結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)還是砌體結(jié)構(gòu)等，都可以采用隔震設(shè)計(jì)，從隔震原理來說，隔震是將結(jié)構(gòu)的周期延長(zhǎng)，避開地震中的長(zhǎng)周期部分，減小上部結(jié)構(gòu)的損壞，因此從減震效果考慮，采用隔震措施的建筑最好滿足以下條件：

(1)建筑物場(chǎng)地土具有足夠的承載力，盡量建造在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地上。這樣可以有效避開隔震后的結(jié)構(gòu)周期，避免場(chǎng)地土與建筑之間發(fā)生共振。

(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋層數(shù)在10層左右，高度35m左右；砌體結(jié)構(gòu)的房屋層數(shù)為7層左右，高度20m左右。結(jié)構(gòu)高度和層數(shù)在此范圍內(nèi)，可保證結(jié)構(gòu)在隔震前周期較短，隔震后減震效果較明顯。

(3)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)房屋的高寬比在2.5左右，砌體結(jié)構(gòu)在2.0左右(高寬比宜不大于4)。過大的高寬比容易造成上部結(jié)構(gòu)傾覆。

(4)隔震裝置設(shè)置在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間或在地下室柱頂。

(5)與相鄰的建筑物之間最少有20cm的距離，以保證隔震建筑作用時(shí)有移動(dòng)空間。

3 隔震結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

3.1 安全可靠

建筑采用隔震設(shè)計(jì)時(shí)，不僅可以保證結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件安全，同時(shí)也能保證內(nèi)部設(shè)備功能完好，地震后能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隔震結(jié)構(gòu)受地震作用的影響僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/6～1/3，在很大程度上削弱了地震力作用，從而保證上部結(jié)構(gòu)的安全，因此，采用隔震設(shè)計(jì)的建筑與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)建筑相比，無疑更加的安全可靠。

3.2 更經(jīng)濟(jì)

一般而言，隔震設(shè)計(jì)額外增加的隔震支座及轉(zhuǎn)換層會(huì)增加造價(jià)，同時(shí)地下室梁柱的加強(qiáng)也會(huì)一定程度上增加造價(jià)，但由于增加了隔震技術(shù)，使得上部結(jié)構(gòu)受地震力作用明顯減小，在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)減小構(gòu)件尺寸及含鋼量，使得上部結(jié)構(gòu)的造價(jià)降低，綜合計(jì)算，總造價(jià)會(huì)有一定程度的降低。具體分析如下。

3.2.1 減少部分

(1)由于上部結(jié)構(gòu)地震作用的減小，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面及配筋可相應(yīng)減小，結(jié)構(gòu)型式及方案可進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，甚至上部結(jié)構(gòu)可由框架—剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化為框架結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)也可增加層數(shù)或高度。與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)相比，上部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土工程造價(jià)一般可降低20 %左右。

(2)內(nèi)外裝飾連接及門窗框相應(yīng)減少。

(3)電梯、機(jī)房等設(shè)備有一定程度優(yōu)化改善。

3.2.2 增加部分

(1)隔震支座及阻尼器會(huì)額外增加費(fèi)用，且該部分占用的總造價(jià)比例較高；一般而言，橡膠隔震支座的價(jià)格5萬～10萬元/個(gè)，若按建筑面積進(jìn)行估算，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí)，橡膠支座的價(jià)格為50～100元/m2。

(2)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，增加的隔震轉(zhuǎn)換層額外增加費(fèi)用。

(3)隔震層對(duì)應(yīng)的主樓地下室的梁、柱截面尺寸加強(qiáng)增大。

(4)穿過隔震層的管線等，為了考慮結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的變形和位移，必須進(jìn)行柔性連接，因此增加一定的費(fèi)用。

(5)因?yàn)樾枰鲈O(shè)隔震層，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，開挖深度相應(yīng)加深，同時(shí)，擋土墻也會(huì)一定程度的加強(qiáng)，因此也增加額外的費(fèi)用。

因此，在初步設(shè)計(jì)階段，可由設(shè)計(jì)單位針對(duì)兩種方案的造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，大致估算兩種方案的差價(jià)，從而綜合考慮是否采用隔震設(shè)計(jì)。當(dāng)然，除上述情況外，還有其他因素會(huì)影響隔震工程的造價(jià)，例如：建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)、上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)型式、建筑高度及面積、隔震設(shè)備的選型及布置數(shù)量、施工單位的技術(shù)水平等。綜合來看，建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防等級(jí)越高，采用隔震設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益越明顯，9度抗震設(shè)防地區(qū)尤甚。同時(shí)，在達(dá)到隔震效果的前提下，建筑層數(shù)越多，隔震設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益越好。以整個(gè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行估算，采用隔震設(shè)計(jì)大約能節(jié)約造價(jià)1 %～4 %。

3.3 檢修方便

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在遭受地震破壞時(shí)，檢查會(huì)存在極大困難，并且很難進(jìn)行修復(fù)加固，并且修復(fù)加固費(fèi)用較高；而對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于其隔震效果主要通過隔震支座實(shí)現(xiàn)，因此其抗震性能檢測(cè)的主要對(duì)象是隔震支座，這比檢測(cè)結(jié)構(gòu)本身要快捷方便很多，抗震支座損壞后可進(jìn)行更換，它能確保地震后的快速修復(fù)，對(duì)震后快速回復(fù)生產(chǎn)和生活具有十分重要的意義。

3.4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更自由

由于采用隔震技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)地震作用大大減小，因此，結(jié)構(gòu)選型更自由靈活。上部結(jié)構(gòu)鋼筋含量、剪力墻、梁截面等均有不同程度減少，建筑使用面積也會(huì)有一定的增大。

5 結(jié)束語

建筑隔震技術(shù)作為一種新型的結(jié)構(gòu)抗震理論，無疑具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的發(fā)展前景，特別是針對(duì)9度抗震設(shè)防地區(qū)而言，不僅能夠降低造價(jià)，而且可以保證結(jié)構(gòu)更加安全可靠，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活自由。但也因?yàn)槠浒l(fā)展的時(shí)間較短，使得國(guó)家、地方及行業(yè)的相關(guān)規(guī)范并不是十分完備，實(shí)力雄厚的廠家及經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)施工隊(duì)伍也相對(duì)較少，具有相應(yīng)資質(zhì)和實(shí)力的設(shè)計(jì)單位同樣不多，一般都是由專業(yè)廠家配合設(shè)計(jì)單位完善隔震設(shè)計(jì)。因此，采用隔震設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)單位和施工單位無疑都是一種考驗(yàn)。但是，不能因?yàn)槔щy就放棄采用，隔震設(shè)計(jì)在9度抗震設(shè)防地區(qū)的優(yōu)勢(shì)是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益均相當(dāng)可觀，具有廣泛推廣實(shí)施的意義，同時(shí)，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將會(huì)是9度抗震設(shè)防地區(qū)等特殊地區(qū)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。